Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trên toàn cầu, việc ứng dụng tự động hóa trong sản xuất ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt trong ngành chế biến nông sản xuất khẩu. Việt Nam, với vai trò là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới, đã chứng kiến sự tăng trưởng kim ngạch xuất khẩu gạo từ 2,13 tỷ USD năm 2016 lên gần 3,3 tỷ USD năm 2018, với sản lượng xuất khẩu trên 6 triệu tấn/năm theo báo cáo của Bộ Công Thương. Tuy nhiên, công đoạn đóng bao sản phẩm xuất khẩu vẫn còn mang tính thủ công, sử dụng nhiều lao động chân tay, gây ra chi phí cao và hạn chế năng suất.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển “Hệ thống robot đóng túi tự động” nhằm thay thế con người trong công đoạn đóng bao, bao gồm các chức năng định lượng sản phẩm, vuốt thẳng mép bao, đưa bao vào máy may, cắt chỉ tự động và sắp xếp bao trên băng chuyền để tránh ùn tắc. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu suất, giảm chi phí sản xuất và hạn chế sự phụ thuộc vào lao động thủ công trong các nhà máy chế biến lương thực tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại nguyên liệu như lúa, gạo, tấm, cám, thức ăn chăn nuôi và phân bón, với bao bì phổ biến là bao PP, bao PP phủ màng PE và bao giấy phủ PE.

Việc phát triển hệ thống này không chỉ góp phần nâng cao năng suất lao động mà còn tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm xuất khẩu, đồng thời phù hợp với xu hướng cơ giới hóa và tự động hóa trong ngành nông nghiệp hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba lý thuyết điều khiển chính để thiết kế hệ thống robot đóng túi tự động:

  1. Điều khiển cổ điển (Classical Control): Sử dụng các phương pháp như Nyquist, Bode và điều khiển PID để thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho các quá trình có đặc tính tuyến tính và ổn định. Bộ điều khiển PID được áp dụng phổ biến trong công nghiệp nhờ cấu trúc đơn giản và hiệu quả trong điều khiển các hệ thống có quán tính lớn.

  2. Điều khiển hiện đại (Modern Control): Áp dụng mô hình không gian trạng thái và các kỹ thuật điều khiển hồi tiếp trạng thái, phù hợp với các hệ thống đa biến (MIMO) và hệ thống biến đổi theo thời gian. Phương pháp này giúp mô tả chính xác đặc tính động học bên trong hệ thống.

  3. Điều khiển thông minh (Intelligent Control): Bao gồm các kỹ thuật như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo và thuật toán di truyền, cho phép thiết kế hệ thống điều khiển mà không cần mô hình toán học chính xác, thích hợp với các hệ thống phức tạp và phi tuyến.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: bộ điều khiển PID, thuật toán điều khiển PI, các chuẩn truyền thông RS-232, RS-485 và Modbus RTU để giao tiếp giữa các thiết bị điều khiển, cảm biến Loadcell, cảm biến quang và các thiết bị khí nén trong hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các doanh nghiệp chế biến lương thực trong nước, các tài liệu khoa học, giáo trình và các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích tổng hợp: Đánh giá hiện trạng các hệ thống đóng bao bán tự động và tự động trên thị trường, phân tích ưu nhược điểm của từng loại máy móc.

  • Thiết kế và mô phỏng: Xây dựng mô hình toán học cho các van solenoic điều khiển xy lanh khí nén, áp dụng thuật toán điều khiển PID và PI để điều chỉnh quá trình đóng mở.

  • Thực nghiệm: Chế tạo hệ thống robot đóng túi tự động, tiến hành vận hành thử nghiệm với cỡ mẫu 50 lần cân ở hai giai đoạn để đánh giá độ chính xác và ổn định của hệ thống.

  • Phân tích dữ liệu: Sử dụng các phương pháp thống kê và so sánh kết quả thử nghiệm để điều chỉnh tham số điều khiển, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2019, tập trung tại các nhà máy chế biến lương thực ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất định lượng và đóng bao: Hệ thống robot đóng túi tự động đạt năng suất khoảng 30 tấn/giờ, tương đương với hệ thống đóng bao tự động hoàn toàn công nghệ Anh do Thái Lan sản xuất, nhưng với chi phí đầu tư thấp hơn nhiều. So với máy đóng bao bán tự động trong nước, năng suất tăng khoảng 50-60%.

  2. Độ chính xác cân định lượng: Qua 50 lần thử nghiệm, sai số cân trung bình giảm từ mức vượt quá giới hạn cho phép xuống dưới 0,5%, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đóng gói.

  3. Tính ổn định vận hành: Hệ thống tự động dừng khẩn cấp khi phát hiện sự cố, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và mất nguyên liệu. Tỷ lệ sự cố giảm khoảng 30% so với các hệ thống bán tự động hiện có.

  4. Tính năng hỗ trợ vận hành: Robot có khả năng tự động sắp xếp vị trí bao trên băng chuyền, tránh hiện tượng ùn tắc khi nhiều hệ thống cùng hoạt động, nâng cao hiệu quả dây chuyền sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu quả cao là do việc áp dụng thuật toán điều khiển PI và PID phù hợp với đặc tính của quá trình đóng mở xy lanh khí nén, kết hợp với giao tiếp truyền thông RS-485 và Modbus RTU giúp đồng bộ các bộ phận trong hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây về máy đóng bao bán tự động trong nước, hệ thống mới đã khắc phục được nhược điểm về sự phụ thuộc vào lao động thủ công và khả năng phối hợp giữa các cụm cân và may đóng bao.

Kết quả thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ sai số cân theo từng lần thử và bảng so sánh năng suất giữa các hệ thống đóng bao khác nhau, minh họa rõ ràng sự cải tiến về hiệu suất và độ chính xác. Ngoài ra, việc tích hợp tính năng dừng khẩn cấp và sắp xếp bao tự động góp phần nâng cao tính an toàn và ổn định vận hành, phù hợp với yêu cầu thực tế của các nhà máy chế biến lương thực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng rộng rãi hệ thống robot đóng túi tự động tại các nhà máy chế biến lương thực trong nước nhằm nâng cao năng suất và giảm chi phí lao động, với mục tiêu tăng năng suất đóng gói lên ít nhất 30% trong vòng 1-2 năm.

  2. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống cho các kỹ thuật viên tại nhà máy, đảm bảo khả năng xử lý sự cố và bảo dưỡng định kỳ, giảm thiểu thời gian ngừng máy, thực hiện trong 6 tháng đầu sau khi lắp đặt.

  3. Nâng cấp và tích hợp hệ thống điều khiển thông minh như điều khiển mờ hoặc mạng thần kinh nhân tạo để cải thiện khả năng thích ứng với các loại bao bì và nguyên liệu khác nhau, dự kiến nghiên cứu và thử nghiệm trong 1 năm tiếp theo.

  4. Phát triển các module mở rộng cho hệ thống, bao gồm tự động hóa khâu lấy bao và đóng gói hoàn chỉnh, nhằm giảm thiểu tối đa sự can thiệp của con người, hướng tới tự động hóa toàn bộ dây chuyền trong vòng 3-5 năm.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các doanh nghiệp chế biến, viện nghiên cứu và các đơn vị đào tạo kỹ thuật để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp chế biến và xuất khẩu lương thực: Giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí lao động và tăng năng suất đóng gói, từ đó cải thiện sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

  2. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và cơ khí: Cung cấp kiến thức về thiết kế hệ thống điều khiển tự động, ứng dụng thuật toán PID và giao tiếp truyền thông trong thực tế.

  3. Các trường đại học và viện đào tạo kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo cho sinh viên và giảng viên trong các ngành kỹ thuật điện, cơ khí và tự động hóa, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến: Hỗ trợ đánh giá và định hướng phát triển công nghệ tự động hóa phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống robot đóng túi tự động có thể áp dụng cho những loại nguyên liệu nào?
    Hệ thống phù hợp với các nguyên liệu như lúa, gạo, tấm, cám, thức ăn chăn nuôi và phân bón, sử dụng bao PP, bao PP phủ màng PE và bao giấy phủ PE.

  2. Năng suất của hệ thống so với máy đóng bao bán tự động hiện nay như thế nào?
    Hệ thống đạt năng suất khoảng 30 tấn/giờ, tăng khoảng 50-60% so với máy bán tự động trong nước có năng suất 12-20 tấn/giờ.

  3. Hệ thống có khả năng tự động dừng khi gặp sự cố không?
    Có, hệ thống được trang bị chức năng dừng khẩn cấp tự động khi phát hiện sự cố, giúp bảo vệ thiết bị và nguyên liệu.

  4. Phương pháp điều khiển nào được sử dụng trong hệ thống?
    Luận văn áp dụng thuật toán điều khiển PI và PID, phù hợp với đặc tính của quá trình đóng mở xy lanh khí nén và đảm bảo độ chính xác cao.

  5. Chi phí đầu tư hệ thống có phù hợp với doanh nghiệp Việt Nam?
    Chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với các hệ thống tự động hoàn toàn nhập khẩu, giúp doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận và thu hồi vốn nhanh hơn.

Kết luận

  • Hệ thống robot đóng túi tự động đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công, đạt năng suất 30 tấn/giờ với độ chính xác cân dưới 0,5%.
  • Ứng dụng thuật toán điều khiển PI và PID kết hợp giao tiếp truyền thông RS-485, Modbus RTU giúp hệ thống vận hành ổn định và đồng bộ.
  • Hệ thống giảm thiểu đáng kể sự phụ thuộc vào lao động thủ công, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi, đào tạo nhân lực và nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển thông minh trong tương lai.
  • Kêu gọi các doanh nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp phát triển để thúc đẩy tự động hóa trong ngành chế biến nông sản Việt Nam.

Hành động tiếp theo là tiến hành lắp đặt thử nghiệm tại các nhà máy quy mô lớn, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại bao bì và nguyên liệu đa dạng hơn nhằm hoàn thiện và thương mại hóa hệ thống.